压电陶瓷阻尼振动的有限元模型分析

分析了压电陶瓷的压电效应在桥梁振动中减小振动的应用，压电效应将振动机械能转化为电能，进行能量转移从而起到减弱振动的作用。由于压电陶瓷的实验研究费用较高，借助计算机建模技术，对4种数学模型进行了分析。结果表明，压电纤维材料阻抗回路（CPRE）具有较好的应用效果，为后期的实验指明研究方向。     

MEMS低频压电振动能量采集器

设计了基于微机电系统（MEMS）的一阶、二阶传动低频压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能来解决低频（小于200 Hz）振动环境中的能量采集问题。一阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁及压电悬臂梁,二阶传动能量采集器模型包括一阶传动梁、二阶传动梁及压电悬臂梁。数学建模及有限元分析显示：采集器工作频率随一阶、二阶传动梁及压电悬臂梁材料的杨氏模量的减小均呈单调递减的趋势;传动梁的设计可有效降低采集器的高阶工作频率、拓宽工作带宽;而二阶传动梁可以在1g加速度条件下,获得10.98 Hz和44.52 Hz两个超低频率的电压峰值（分别为3.18 V/g和1.33 V/g）,使系统工作频率降得更低,50 Hz以下的有效工作带宽更宽,更适合与低频振动环境匹配进行能量采集。     

遥控器用压电发电装置的供电特性

提出利用压电发电装置替代电池为遥控器提供实时的能量供应。针对遥控器的操作方法和负载特性,提出采用脉冲激励和按压激励压电振子的实施方案,通过试验的方法研究了压电振子在两种激励方式下对恒流负载的供电特性。结果表明,脉冲激励可获得更多的电能,适合于较大负载的工作场合。压电振子固有频率一定时,其有效的工作时间随电流负载增加而缩短;电流负载一定时,存在最佳的压电振子固有频率使其有效供电时间最长。利用尺寸为50x50x0.5mm的悬臂梁型压电振子为汽车遥控器供电,1次脉冲激励生成的电能可满足汽车遥控器信号发射的功率需求,信号传输距离达到15米以上。     

基于气体激励的压电俘能技术及其在气动系统中的应用与展望

气动技术正朝着智能化、无线化的方向发展,越来越多的智能传感器引入到气动系统来实现监测与反馈,因此实现传感器长期稳定的供能是当前气动系统亟待解决的关键问题之一。研究表明,利用压电材料可产生毫瓦级的电能输出,能量级数可以满足低功耗传感器的能耗需求,因此该技术有望作为一种新型的供电技术为电池续航,使低功耗传感器长时间稳定地工作。基于此,介绍了压电能量收集技术的起源,气体激励下的压电俘能器结构与研究现状,以及气动系统压力能转化为电能的相关工作。研究结果表明,压电材料可以将气体压力能直接转化为电能,其单片最大输出功率接近10 mW,通过对电能的整理与存储可使气动系统中磁性开关正常工作。该技术可增大电池的使用寿命,甚至将来或可成为气动系统低功耗传感器能量的主要来源。     

压电陶瓷人体能量收集系统的设计与实验

为利用压电材料收集人体能量,设计了一种人体能量收集系统,可以在人行走过程中产生电能,该机构被安装在人腿的膝盖部位,选择性地在腿部摆动结束阶段连续地按压压电陶瓷片参与发电,另外还设计了压电发电装置的能量存储与控制电路,并实验了其发电特性,该装置非常适合给假肢或者其它便携式医学设备充电。     

无线电能量收集器的设计与实现

无线电信号在当今社会已经遍布各个角落,除了将无线电信号用于通信之外,对其能量的一些其他使用方式已经出现,比如将空间内的无线电波收集并转化为电能。设计了一款无线电能量收集装置,该装置用于小型用电器的电能补充。在该装置中,能量是由收集来的无线电波转化为交流电流,并将交流电整流成直流电以供用电器使用。     

气动高压激励的阵列式盘型压电俘能器

提出了利用气动高压激励的阵列式盘型压电俘能器实现气体能量的转化,以满足低功耗传感器的自供能需求。通过压电单晶片将气缸内部高压气体能量转化为电能,设计了阵列式盘型压电俘能器的样机结构;结合气缸的正常工作状态,分析了压电阵列的工作原理并进行了相应的实验。理论分析显示:盘型压电阵列具有较高的电荷量与良好的电容性,适合对具有交变载荷的高压气体能量进行收集。采用外径为12 mm、厚度为0.2 mm的压电单晶片及缸径为63mm、行程为150mm的气缸制作了实验样机,利用气动组件模拟气体环境搭建了测试系统。分别调节压力、周期、流量等参数进行了实验测试。结果表明:在交变的气动高压激励下,阵列式盘型压电俘能器可较好地收集交变高压气体载荷能量,其最佳匹配电阻为600kΩ,最大的瞬时功率为1 052μW,输出功率可满足低功耗传感器的能量需求。     

基于压电悬臂梁振动能量收集器的摩擦自激振动能量收集

针对机械装备滑动摩擦副广泛存在的高强度摩擦自激振动,设计了结构简单的压电悬臂梁振动能量收集器并安装在滑动摩擦副上,以实现将摩擦自激振动能量转换为电能。通过在CETR摩擦磨损试验机上开展摩擦自激振动能量收集试验以及进行相应的有限元和数值仿真分析,验证设计的压电悬臂梁振动能量收集器的效果并分析其机理。结果表明,压电悬臂梁振动能量收集器输出电压的时域演变规律和频域特性与相应的摩擦自激振动信号一致,故设计的压电悬臂梁振动能量收集器可有效地将摩擦自激振动能量转换为电能,实现了摩擦自激振动能量的收集;法向载荷的增大使得输入摩擦系统的能量显著增强,导致摩擦副界面摩擦自激振动强度增大,从而增加了压电悬臂梁振动能量收集器的激励源强度,使其输出电压显著增大;在较大的法向载荷作用下压电悬臂梁振动能量收集器的输出电压最大值达到近4 V且频率较高,可为低功率传感器提供电能供应。     

压电陶瓷轮胎发电机的设计

为解决汽车轮胎压力无线监测系统(TPMS)电能自给问题,应用压电换能原理,提出将PZT5压电振子复合在轮胎内底面,把运行中的机械能转换为电能为无线发射模块供电的思想,设计了一种压电陶瓷轮胎发电机。建立了双层膜压电振子的有限元(FEA)模型,运用ANSYS 11.0对不同尺寸的振子进行静力和瞬态分析,得出设计振子尺寸的依据。针对单个振子发电量低的状况,提出采用阵列方式增大发电量的方案,设计了一种多振子电量耦合输出调节控制电路。选择振子尺寸为40 mm×15 mm,实验得到单片压电振子在15 Hz固定形变的激励下,有效输出电流为5 μA,峰值电压为5 V以上。当振子数量为40个以上时,轮胎发电输出的功率能满足TPMS休眠模式耗电30 μW,发射耗电35 mW,间歇时间30 s的需要。实验表明,压电阵列式轮胎发电机平均输出功率为150~350 μW,瞬时输出功率可达到50 mW。     

能量采集型压电超声驱动器的设计与实验研究

基于压电陶瓷正、逆压电效应设计了一种具有能量采集功能的旋转式环形压电超声驱动器;利用ANSYS软件建立了驱动器压电振子有限元参数化模型(FEM),通过参数灵敏度分析方法对压电振子结构进行了优化设计;研制了直径60 mm的环形压电超声驱动器原理样机,搭建了样机实验平台,实验验证了所设计方法的正确性。研究结果表明,在频率36 kHz、幅值152 V的电压激励下,驱动器的最大空载转速、堵转力矩和机械输出功率分别达到112 r/min、0.78 N·m和3.1 W;在空载时,驱动器每个扇区的振动能量采集输出功率最大达到108 mW;在负载力矩0.35 N·m和负载电阻为11 kΩ时,驱动器每个扇区的振动能量采集输出功率达到93 mW,总的采集输出功率为1.674 W,驱动器压电振子的振动能量有效利用率达到47.74%。     

铁电材料滞回能量捕获能力分析

为解决微机电系统的供电问题,将基于力电耦合智能结构的滞回能量捕获技术应用到微能源技术中。首先对已有的基于压电材料的能量捕获技术展开了分析,介绍了压电材料的发电机理以及铁电材料的优点和自发极化特性,提出了一种将铁电材料用于能量捕获的方法;然后,利用力电耦合能量捕获实验台,对铁电和压电结构进行了能量捕获实验。实验及研究结果表明:铁电材料及压电材料皆可满足一定的供电要求,但就实验所用两种材料而言,铁电材料的供电能力比压电材料要高。     

压电悬臂梁采收低频振动能的理论分析与仿真

采收环境振动能量为无线网络传感器供电是近年来研究的热点,目前还没有一个完整的理论和解决方案.文中设计了一种压电悬臂梁结构的环境振动能量采收装置,研究了悬臂梁压电振子结构受激励后产生电荷量与频率的关系,并进行了ANSYS仿真,得出了最佳的机电耦合模型和压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响的关系.为采收环境低频振动能量,实现网络传感器自供电装置提供了设计的理论依据.     

Generation of electrical energy using lead zirconate titanate (PZT-5A) piezoelectric material: Analytical,numerical and experimental verifications

Energy harvesting is the process of attaining energy from the external sources and transforming it into usable electrical energy. An analytical model of piezoelectric energy harvester has been developed to determine the output voltage across an electrical circuit when it is forced to undergo a base excitation. This model gives an easy approach to design and investigate the behavior of piezoelectric material. Numerical simulations have been carried out to determine the effect of frequency and loading on a Lead zirconate titanate (PZT-5A) piezoelectric material. It has been observed that the output voltage from the harvester increases when loading increases whereas its resonance frequency decreases. The analytical results were found to be in good agreement with the experimental and numerical simulation results.     

压电阵列径向分布的二维振动能量采集器

为了有效采集多个方向的振动能量,本文提出了一种圆柱形的压电阵列径向分布的二维(2D)振动能量采集器。通过将柔性弧形压电阵列径向分布在圆柱体上,该采集器可以收集到二维(2D)平面内任意方向的振动能量。同时,引入了角度带宽来描述采集器获取二维振动能量的能力。实验结果表明:这种新型结构采集器的角度带宽接近180°;而且,通过把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件进行反向串联,采集器的最大输出电压可以达到11.6V;当把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件反向并联时,最大输出功率达到13.5μW。与传统的悬臂式压电振动能量采集器相比,该二维(2D)采集器具有更好的多方向振动能量采集性能。     

锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）俘能效率实验研究

为研究不同因素对压电陶瓷俘能影响规律，提高能量俘获效率，本文以锆钛酸铅压电陶瓷（lead zirconate titanate piezoelectric ceramics，PZT）为研究对象。首先，搭建实验测试平台，通过实验获得了3种不同振幅（2、6、10 mm）下PZT输出电压与激励频率的关系，得到被测样件的最佳俘能参数；其次，在对存储电路进行优化的基础上，分别将PZT以单张、双张串联、双张并联以及双路输入的方式接入存储电路，各自在最佳俘能参数下振动30 min，为存储电路中的锂电池进行充电；最后，通过对比锂电池带动二极管的时长来评估不同输入方式的俘能效率。研究结果表明，在以最佳俘能参数振动30 min后，并联方式的俘能效率最高，可使功率为60 mW的二极管持续工作120 s。     

压电阵列双相能量收集器的有限元分析模型

文中基于压电阵列双相能量收集器的压电效应和磁–力–电耦合效应,提出了一种宽频的能量收集结构.该结构可同时俘获环境中广泛存在的机械振动和磁场能量,从而实现低功耗电子设备的自供电.利用有限元软件COMSOL建立了压电阵列双相能量收集器的几何模型并进行数值仿真,分析了不同载荷以及组份材料参数对俘能器性能的影响.研究结果表明,...     

压电振动能量捕获装置研究

为了解决无线传感器节点的供电问题,搭建了基于压电复合材料的悬臂梁压电振子振动发电试验平台,利用压电材料的压电效应,将机械振动能转换为电能,达到了取代干电池供电的目的     

压电振动能量捕获装置研究

为了解决无线传感器节点的供电问题,搭建了基于压电复合材料的悬臂梁压电振子振动发电试验平台,利用压电材料的压电效应,将机械振动能转换为电能,达到了取代干电池供电的目的。